因为维护与**的考量，用于监测机器正常性的传统仪器往往会采用压电技术，但是微电机系统(MEMS)加速度计为新使用者的新兴族群提供易于整合与较低的成本。振动感测的新采用者将会发现快速部署及所有权的合理成本，都是用于评估整合式MEMS元件的好理由。

MEMS感测器实现**产品

惯性MEMS感测器在现今的个人电子装置大举扩张中扮演重要角色。它们所具有的小尺寸、低功率、易于整合、高位准功能及优越性能等的特点，使得像是智慧型手机、游戏控制器、动作追踪器，以及数位相框等**产品获得推动与实现。 此外，惯性MEMS感测器也确实改善可靠度，并降低汽车**系统成本，让他们能够部署在大多数的汽车当中。

功能整合以及性能等方面的持续进步，也促使MEMS加速度计与陀螺仪进入许多不同工业系统当中。部份应用会提供成本较低的替代方案以提出产品与服务，而其他应用方面则正开始将惯性感测加以整合。

振动监测是随着同时具有两种类型使用者的应用而兴起。为维护与**，用于监测机器正常性的传统仪器往往会采用压电技术。高速自动化设备要监测振动状态，藉以触发润滑、速度、或是皮带张力等的反馈控制，抑或是关闭设备以做为对于维护人员的快速提醒。

虽然压电装置拥有成熟的使用群，但是MEMS加速度计为新使用者的新兴族群提供了易于整合性与较低的成本。

此外，他们的先进功能整合让像是具备嵌入式射频(RF)发射接收器的ADIS6229数位MEMS振动感测器这类型的元件，能够提供包括讯号处理与通讯在内的完整解决方案。

此类型的可编程元件能周期性的将自己唤醒，撷取时间域振动资料，在资料纪录上执行快速傅立叶转换(FFT)，在FFT结果上施予使用者可设定组态的光谱分析，在有效的无线传输上提供简单的通过/失败结果，存取资料与结果，接着再返回休眠状态。振动感测的新采用者将会发现快速部署，以及所有权的合理成本都是用于评估完全整合式MEMS元件的好理由。

振动监测协助观察机器典型损耗

在利用振动来观察机器正常性时，其目的是要将可观察到的振动与典型的耗损机构相关联，例如轴承、齿轮、链条、皮带、轴、线圈及阀门等。在一般机器当中，至少有其中一项的机构是须经常性维护。图1为三个针对耗损机构的振动与时间关系的范例。虽然要开发出此类型的关联需要时间与经验，但是良好关联的振动标志对于遵循短周期时间的经常性维护而言将会是一个节省成本的替代方案。

图1　振动与时间的对应范例

透过实际的观察(像是振动)可提供一个在侦测到警示状况时(A曲线)采取快速行动的机会，同时又能够避免在机器还有较多运作寿命时的过早维护(B与C曲线)。

图1中也显示两组警示设定(警告、危急以及三阶段的机器维护周期(前期、中期、后期)。警告位准定义在一般运作下*大振动，此处所观察到的振动并没有包含针对机器或是支援人员的潜在危机征兆。当处于正常范围时，有些仪器能够支援非经常性的振动量测。

危急位准代表机器设备正处于严重损坏风险当中，将会对支援人员或是环境造成不**的状况。机器操作员希望避免在此位准运作，且通常会将机器关机。

当振动处于警告位准以上但是低于危急位准以下时，机器仍然可执行其任务，但必须要更频繁的观察，且可能会须额外的维护。

有时候，此三种作业区域(一般、警示、危急)可和机器维护周期的三阶段：前期寿命、中期寿命、后期寿命相互关联，在它们可能影响振动监测策略的情况下。

举例来说，在前期寿命期间，仪器可能只需要每日、每周或是每月对于关键振动属性加以观察即可；在进入到中期寿命时，便可能要改成每小时观察；而当接近到后期寿命时，振动监测可能会更加频繁发生，特别是在人员或是资产处于风险的情况。

于后期寿命阶段，使用可携式设备监测振动的机器将会累积经常性的费用，与维护成本相较下有可能会变得过高。虽然主要的资产有理由给予特别注意，但是许多其他仪器却无法容忍经常性的费用。为补强手动量测的不足，以MEMS为基础的嵌入式感测器为需即时振动资料的设备提供更具效率的方案。

MEMS加速度线性感测器可撷取动作资讯

振动是一种重复性的机械性动作。在振动感测仪器的开发上有若干个属性相当重要，摆动动作通常同时具备有线性与旋转两项要素，大部分振动感测关联倾向于专注在摆动的大小，而非**位置的追踪，因此像是MEMS加速度计的线性感测器就足以用来撷取动作资讯。

当动作大多是线性时，对于其方向的了解就会相当的重要，特别是在使用单轴感测器时。相反的，三轴感测器可提供更多安装弹性，因正交方向让单一或多轴的拾取能够实现，不论其振动的方向为何。

由于振动是周期性出现，因此频谱分析可提供一个便利的方法将振动的特性(振动大小与频率之间的关系)显现出来。

图2的特性中同时具备宽频与窄频的要素，包括主要振动∼1,350Hz、四组谐波，以及些许低位准的宽频内容。移动中设备的每一个零件都会具有其独特的振动特性，而窄频响应往往代表设备的固有频率。

图2　振动特性的范例

感测器的挑选与讯号处理的架构须依据应用装置的目的而定。举例来说，图3当中的讯号链持续的监测特定频率波段，在邻近的控制面板上提供警告与危急灯号。

图3　时间域振动讯号链范例

生产厂商对于机械设计的深入了解将会有助于带通滤波器的设计，特别是对于起始频率、停止频率，以及通带衰减率。旋转速度、机械结构的固有频率、以及故障特定的振动行为可能全都会影响带通滤波器。

虽然此类型的方案很简单，但是振动监测需**可改变的，因可取得来自于特定机器的历史资料。在监测需求方面的改变可能会导致滤波器结构的变化，而这所代表的就是经常性的工程费用。

***可藉由将感测器响应予以数位化、执行关键讯号处理功能，例如滤波器、均方根(RMS)运算、位准侦测器等，以针对弹性去权衡复杂度，并利用辅助输入/输出(I/O)来控制指示器灯号或是提供数值输出。

图4　适用于频谱振动分析的ADIS16228信号链

任何方案核心感测器皆可使用MEMS加速度计

不论是哪一种方案的核心感测器都可使用MEMS加速度计。对于挑选核心感测器来说，*为重要的属性应该是轴的数量、封装/组合的需求、电气介面(类比/数位)、频率响应(频宽)、量测范围、杂讯，以及线性度。

虽然许多的三轴MEMS加速度计支援与大多数嵌入式处理器的直接连结，但撷取*佳的既有性能位准，可能还须具有类比输出的单轴或是双轴解决方案。

举例来说，ADXL001高性能宽频iMEMS加速度计，利用其22kHz的谐振以提供目前*为宽广的频宽之一，但它只有提供单轴、类比输出元件。类比输出可在系统中实现具备现有类比数位通道的快速介面，但目前开发趋势似乎较偏好具有数位介面的感测器。

核心感测器的频率响应与量测范围，决定在输出饱和前所能够支援的*大振动频率与振幅。饱和会使频谱响应降等，产生出可能会导致故障警示的寄生内容，即便是在饱和频率不会与所需频率干扰的情况下。量测范围与频率响应可由方程式1相互关联：

其中D为物理性位移，ω为振动频率，而A则是加速度。

虽然频率响应与量测范围位处于感测器响应的上边界，但是它的杂讯与线性度会对解析度造成限制。杂讯建立会导致输出当中响应的振动下限，而线性度则决定振动讯号会产生出多少不实的谐波内容。

收摺行为造成不实故障/振动内容检视失真

类比滤波器将讯号内容限制在一个奈奎斯特区域(Nyquist Plot)当中，其代表的是范例系统中的一半取样速率。即便是在滤波器截止频率位于奈奎斯特区域当中的情况下，也仍然不可能拥有无限的较高频率元素拒斥(仍然可收摺至通带当中)。对于只监测奈奎斯特区域的系统而言，这种收摺行为可能会造成不实故障并且使得在特定频率下振动内容的检视失真。

．多窗口技术

时间一致的取样在振动感测应用装置当中往往是不切实际的，因为在时间记录的起始与结束的非零取样值会导致大量的频谱泄漏，此将会使FFT解析度降等。 在计算FFT前应用多窗口功能有助于频谱泄漏的管理。*好的多窗口功能是依据实际讯号而定的，但是一般而言，权衡的部分还包括处理损失、频谱泄漏、波瓣位置及波瓣位准等。

．快速傅立叶转换

快速傅立叶转换(FFT)对于离散式时间资料的分析而言，是一个很有效率的演算法则。处理程序会将时间纪录转换成离散式的频谱纪录，其中每个取样都代表一个奈奎斯特区域的离散式频率片段。输出取样的总数量会等于原始时间纪录当中的取样数量，大部分��况下代表的是二项式系列(1、2、4、8等)中的一个数字。

频谱资料具有强度与相位两种资讯，可采用矩形或是极座标形式来加以呈现。当以矩形形式呈现时，有一半的FFT量化单位会包含强度的资讯，而另一半则包含相位资讯。在以极座标形式呈现时，有一半的FFT量化单位会包含实际的结果，而另一半则包含虚构的结果。

在某些情况下，强度与相位资讯都是有所助益的，但是强度/频率的关系往往包含有能够用来判定关键性变化的充足资讯。

对于只有提供强度结果的装置，FFT量化单位的数量相当于原始时间域纪录中的一半取样。

FFT量化单位的宽度相当于取样速率除以纪录的总数量。在某种程度上，每个FFT量化单位就像是时间域当中的一个独立带通滤波器。

图5为一个真实MEMS振动感测器的范例，以每秒取样(SPS)20480进行取样，并且以512点的纪录开始。在这种情况下，感测器只有提供强度资讯，因此量化单位的总数量是256，而量化单位的宽度相当于40Hz。

图5　ADIS16228的FFT输出

量化单位的宽度很重要，因为它会随着频率从一个量化单位移动至另一个邻近的量化单位而建立频率解析度，且因为它会决定量化单位中所要包含的总杂讯。总杂讯等于杂讯密度的产品(∼240μg/√Hz)以及量化单位宽度的平方根(√40 Hz)，或是∼1.5mg rms。

由于杂讯对振动的解决具有较大的影响，对于低频率应用装置而言，在FFT处理之前采用降频滤波器可以有助于改善频率与强度解析度，且毋须在ADC的取样频率中做更动。以系数256抽取20480 SPS取样速率能够达成以系数256使频率解析度提升的结果，同时以系数16降低杂讯。

使用FFT的关键性优点之一就是能够实现简单的频谱警示应用。图6中包含用以监测机器中固有频率(#1)、谐波(#2、#3与#4)，以及宽频内容(#5)等五组独立频谱警示的范例。警告与危急的位准相当于机器正常性振动与时间特性的位准。

图6　具有频谱警示的范例FFT

起始与停止频率完成了藉由此关系所代表处理变量的定义。在使用嵌入式处理器时，频谱警示定义变量(起始/停止频率、警告/危急警示位准)在组态可设定的暂存器(使用数位编码予以组态设定)位置当中。利用相同的比例系数与量化单位编号架构，将可以大幅的简化此处理程序。

与处理变量关系相关的关键功能之一，那就是纪录的管理。储存每部机器在寿命内，来自于不同阶段的FFT纪录，可以实现对于各种可能会导致耗损曲线行为的分析，因而有助于维护与**性的计画。

除编译历史性振动资料外，有些人可能会发现在所撷取状况资料中的数值会与电源供应、温度、日期、时间、取样速率、警示设定及滤波之类的参数有关联。

介面必须依据特定工厂中的既有基础架构而定。在某些情况中，工业有线就绪通讯标准像是乙太网路(Ethernet)或是RS-485都已可供使用，因此智慧型感测器与通讯系统间的介面有可能是一组嵌入式处理器。

在其他的状况中，相同的嵌入式处理器可能会被用来透过既有的无线通讯协定，例如Wi-Fi、ZigBee或是系统特定的标准与智慧型感测器做连结。有一些智慧型感测器像是做为远端感测器的ADIS16000无线闸道器节点以及ADIS16229，会具备有可以透过常见的嵌入式介面例如SPI或是I2C而使用的部署就绪无线介面。

惯性MEMS技术正在**一个振动监测的新时代，同时为此类型的仪器开发出更多的使用者基础。性能、封装，以及熟悉度可能会使压电技术继续的被使用，但是振动监测很明显的正在成长与兴起。

透过功能性的整合以及易于采用的特点，MEMS元件在新的振动监测应用方面获得了越来越多的注意。

透过在感测点上的先进讯号处理所获得的方便性，将监测的负担降低到一个适用于多数情况的简单状态(正常、警示、危急)。此外，透过方便的通讯通道的远端资料存取正在建立适合于振动监测仪器的新应用领域。未来在关键性能指标(杂讯、频宽、与动态范围等)上的进步，以及高位准的功能性整合，都将有助于此一趋势在未来持续发展。

(本文作者任职于亚德诺半导体)